摘要：近年来，紧密结合所钻地层岩性和用户具体要求进行钻头改型和设计的方法在西方钻头公司中日渐普及，本文就美国休斯．克里斯坦森公司的一些具体做法对这方面的实践进行了简要阐述，内容涉及如何正确的进行钻头选型、开发和制造新型PDC钻头、孕镶式金刚石钻头和牙轮钻头，以及这些钻头的使用对比情况等。
主题词：钻头 设计 用途 性能
通过结合具体用途进行钻头选型和优化钻井参数可以大幅提高钻井性能。这种钻井性能的提高要求能够了解各种复杂的相关因素并对其进行深入的分析，包括岩石强度、所用的钻井系统、循环介质以及整个井下环境。对于造斜井段的井或是需要考虑保持井身完整性良好的井来说，这种钻头选型过程就更为关键了。
一、钻头选型
过去，钻井作业者都是通过应用邻井的钻井记录来选择能实现满意钻井性能的钻头的，这种钻井记录一般都说明了在各个区域所用的具体的钻头型号并能为选用最优的钻压和转速提供一定的参考。在该信息的基础上，一般还能够推断出某个具体钻头的使用寿命和进尺能力。
实践已经证明通过这种方法能够实现预测性很强且重复性很好的钻井性能，所以，它可以产生一种令人满意的现状方法，从而减小可感知的在以后钻井过程中的风险，且使得在很多领域内都将这种钻头选型方法当作一种常用的方法。
然而，这种方法却无法产生更好的结果了，在当今油气生产形势呈急剧滑坡的环境下，钻井作者都面临着这样一种情况，即通过钻更多的井来保持相同的生产水平。而钻井数量的增加又使得人们不得不想方设法通过降低综合钻井成本而尽量使有限的钻井预算能发挥最大的功效。而如果不改变现状的话这一点就很难实现。
在复杂的油气钻井环境下，仅仅通过更好的应用计算机是不能提高钻井效率的，在处理与钻头相关的事宜时就更是如此了。更好的钻头需要更好的钻头选型方法以及最佳的钻井参数推荐。
钻头制造商在研发方面都有大笔的投资用于改进钻头技术和提高钻头性能，这类钻头研发项目使钻井性能得到了逐步的提高。
在最近几年中最大的变化是钻头开发、钻头选型以及操作参数都更帖近于具
‘
体的用途且更多的参考了用户的意见。这种用户化解决方案需要在设计工程师、现场工程师、技术市场人员以及用户之间有一种良好的合作。
在美国休斯．克里斯坦森公司，这种用户化解决方案是通过设计、应用和研发小组（DART）来实现的，DART小组内的各个职能部分都要对保证最终方案的成功提供意见。
该公司的研究部门拥有大量可自行支配的实验设施，其中包括一套高压钻井模拟试验机，这使得在将钻头送到其位于塔尔萨附近的实验场进行全尺寸钻机试验之前，便能够模拟真实的井下条件对钻头的各项功能进行检测。另外，该公司的研究工程师们还具有多年的研究和在苛刻操作条件与环境下对钻头性能进行试验的经验。
其设计工程部门拥有一套微机化设计评价工具，其中包括优化钻头切削结构设计和布局、评价动态钻头稳定性、分析液流和喷嘴配置情况以优化钻头清洗特性等方面的工具。根据用户以及当地的技术营销代表所介绍的情况，上述这些工具被应用到各种具体的钻井条件，所产生的结果可以包括为具体的钻井用途选择或设计钻头、根据具体的钻井总成选择或设计钻头、并根据具体用途推荐操作参数等。
二、新型PDC钻头
新型PDC钻头结构的一个例子是在美国俄克拉何马州Stephens和Garvin县的一次钻井中需要一只新型聚晶金刚石（PDC）钻头。
上世纪90年代期间在该地区的钻井中使用的全部是牙轮钻头。其中有一口典型的井，其12-1/4英寸的表层井眼由一只IADC 116—117钢齿钻头钻到大约3,500英尺深，然后又用了大约8～12只IADC 427—747碳化钨镶齿牙轮钻头钻到了总深（大约为14,000英尺）。在浅层钻进时的机械钻速为15～80英尺/小时，而在较硬的深地层钻进时的机械钻速则下降到了2~12英尺/小时。当时钻一口井的平均时间一般为53天。
自2000年初起，钻井作业商在该地区开始使用PDC钻头。在最初阶段，PDC钻头只能钻相对较软的层段，即打到约5,500～6,100深的Tonkawa地层。有一只8-3/4英寸的PDC钻头在牙轮钻头可实现较快钻速的层段替代了2～3只钢齿或镶齿钻头，这使得钻井时间缩短了大约2天。
在PDC钻头钻进之后，又用了3～4只IADC 427—537碳化钨镶齿牙轮钻头钻到大约8,900英尺，到达了含有硬页岩和燧石的Woodford地层。最后又用IADC 537—547镶齿牙轮钻头钻到总深（大约14,000英尺）。
有些井还要继续往下钻到Bromide地层，这种地层含有硬页岩、砂岩以及石灰岩。这样的层段过去一般都是由孕镶式金刚石钻头或适用于硬地层的碳化钨镶齿牙轮钻头钻的。
在2000年后期，工程师们对前期的一些问题再度进行了研究，以便决定是否存在着进一步提高钻井性能的可能性。此项工作的第一步就是对地层和钻头需求进行分析。研究发现，该地区的地层岩性包括夹层石灰岩和砂岩，其抗压强度可高达40,000psi。研究表明，可以针对Tonkawa地层（5,500～6,100深）专门设计一种PDC钻头，使其机械钻速超过当前所用各种钻头的钻速，同时，这种新型钻头还应能够以与碳化钨镶齿牙轮钻头（TCI钻头）相比美的机械钻速继续钻到7,100～7,700英尺深。
承担开发任务的设计--应用小组为自己制定的最终目标是：设计出一只能在相同层段以快于镶齿钻头的钻速钻到Woodford地层的顶部（大约8,600～9,000英尺深）。这一目标要求对在这一地区的钻头应用理念和钻井技术都要有一个根本的转变。通过集中关注与实际用途紧密结合的需求、应用DART方法并引入新的工艺技术，在该地区建立起一种新的典范。这种努力的最终结果是开发出一种新型的8-3/4英寸HC606PDC钻头（Genesis）。这种钻头（见图2）为一种密集布齿、六刀翼、六喷嘴结构，能提供优良的稳定性且非常适合于该地区所用各种钻机的水力能力。
由于只用一只这种PDC钻头便能从表层井眼下方一直打到Woodford层段的顶部，所以将钻井时间从上世纪90年代间所需的53天减少到23天以下。
在Stephens和Garvin县，由于坚持应用其独特的设计—应用工艺过程，再加上采用了新型的PDC钻头，使得每口井所用钻头数和钻到总深所需的钻井天数减少了40%以上，且将每只钻头的平均进尺从1990年的729英尺（碳化钨镶齿牙轮钻头）提高到2002年的4,815英尺（PDC钻头）。在有些钻井实例中，一次钻进便可以钻完从表层井眼下方到Woodford层段顶部的整个层段。到目前为
止，在Garvin县的钻井记录是以40.4英尺/小时的机械钻速钻了8,343英尺。
三、新型孕镶式金刚石钻头
另一个例子是，以前孕镶式金刚石钻头的应用范围很窄，这类钻头一般都局限于钻相对均质的既硬且又有研磨性的砂岩地层。而由于具有非研磨性软岩（页岩）夹层的地层容易产生钻头泥包问题，所以这类地层一般都用牙轮钻头来钻。
孕镶式金刚石钻头不能有效的钻进软岩夹层，这曾是限制这种钻头被用于在其原本应该是最经济选择的一些地区进行钻井的一个主要因素。在认识到这类限制因素后，美国休斯．克里斯坦森公司的研发部门为克服这一问题而试验了各种不同的概念，最终开发出一种大大拓展了孕镶式金刚石钻头技术应用范围的新型钻头。
该公司在其全尺寸钻井模拟试验机上进行了多次相同条件及相同岩石情况下的控制钻井试验，证实了这种新型孕镶式金刚石钻头（HedgeHog）的重要性。所示即为这种新型钻头，对这种新型钻头和传统孕镶式金刚石钻头的性能作了比较。当在砂岩层段进行钻进时，与最好的传统孕镶式金刚石钻头相比，这种新型孕镶式HH钻头提高机械钻速5～10%，然而，这种新型钻头技术的真正价值还在于它在难于钻进的页岩地层中比传统孕镶式金刚石钻头的钻速快30%。
对这种新型钻头的实际试验是在阿尔及利亚的Hassi Massaoud油田进行的，该地区地层的无限制抗压强度高达58,000psi，且含有非研磨性软页岩层段。
在对应用情况进行了全面评估后，该公司工程师针对该用途改进了一种6英寸的HH353G8钻头，由于岩石的强度较高，在该钻头上将通常布置于冠部的PDC齿换成了脊状布置的热稳定聚晶金刚石（TSP）。这种革新性的切削结构再加上新型水力结构以及先进的胎体类型，使该钻头在这一特定的应用中得以成功。
对此次钻进和该油田最好的邻井钻井结果进行了比较。6英寸的HH353G8钻头共钻进了277米，累积机械钻速为1.34米/小时。在第一次钻进过程中，该新型钻头创下了在该地区地层中6英寸钻头的最长钻进记录，比邻井最好的钻进结果还多97米，并替换掉了预计的两次钻头钻进。这种新型钻头在该地区已多次实现了钻井成本的大幅下降。
四、新型牙轮钻头
近年来新型钻头技术推出的速度大为提高，其部分原因是由于研究工具的改进以及投资的增加，但另一个主要的因素则是制造新型牙轮钻头所需的生产周期有了较大的缩短。
一般有两种方法来计算生产期：其一是包括设计、制造并将新钻头发运到使用地点；第二种方法则是只计算制造时间。大约20年前，从设计到制造出一种新型牙轮钻头的总周期时间平均为大约9个月，其中制造时间大约为6个月。
很明显，钻头制造公司需要优化其制造设备的重新整合以便能够加快将新钻头产品运送到油田现场的速度。
为了缩短周期时间，钻头公司采取了几个步骤。首先，各公司都引入了新型数控生产设备和工艺，从而大大减少了所需的装夹步骤，同时也提高了加工部件的质量。通过采用软件编程方法，新工艺过程得以被优化，可以提供实时数据以使工程师们能够在工厂内部优化部件流程。
对数据的不断分析进一步缩短了从小批量到大批量订单的等候时间，方法是通过减少并排除设备装夹以及流程方面的限制因素。在加工过程中，对每个待加工的零件都运用了一套详细的按字母顺序排序的体系，包括日期和班次。
同时，每个单独的区域针对其各自的周期时间及按时交货时间都设定了周期时间线。联络沟通、团队协作以及灵活性是保证各部件能够按时交货的关键，另外，工程师们还拥有新型的钻头设计工具，使其能够将设计输出结果直接转换为可用于加工的图纸。
上述这些重大的改进措施缩短了总的周期时间并提高了产品的质量。目前，总的新产品推出时间很少会超过一个月，而制造阶段的周期时间已被缩短到10天或更短。
高效的产品开发过程中的第一步应该是正确的发现问题，此类信息一般是由现场人员提供给研发部门，并由此确定钻井操作人员所需的具体性能指标。然后再通过团队努力以设计出能够实现期望性能的新型钻头产品。
在完成了设计概念以后，下一个步骤便需要多部门的合作努力以便能够在规定的时间期限内将新钻头交付到用户手中，这些部门包括市场、材料、工程技术、加工以及制造部门等。这种过程被用来生产了一系列的新型钻头，大大改善了在美国德克萨斯州东部硬岩地层中的钻井性能。
现在一种新型钻头结构的交货时间一般为一个月，但是根据钻井作业商的要求，休斯．克里斯坦森公司在8天内便完成了两只7-7/8英寸HR-88DX钻头的设计、制造和交货。其中实际的制造时间创下了最短记录，只用了2.8天。更令人印象深刻的是，该公司制造的一只7-7/8英寸HR-P88DX于2002年9月间在美国Freestone县创下了1,537英尺的单只钻头进尺记录。在这一地区，该进尺记录优于其它IADC代码637及以上的7-7/8英寸钻头的进尺记录。
生产周期的缩短使得自设计概念的形成到将新型低成本钻头技术送到井场的时间框架更为合理，同时，由于在钻井作业商、工程技术部门、研究部门和制造部门间的沟通更为密切，可通过更好的初始设计结构而提高最终钻头产品质量。
生产周期时间的改善是没有止境的。该公司的制造和工程技术部门正在不断整合及改进其工艺过程以便进一步缩短钻头生产周期。